LED半導(dǎo)體發(fā)光二極管

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED)WhiteLEDLEDfordisplaysLEDfortrafficlight1

概況

發(fā)光二極管簡稱為LED

（LightEmittingDiode）,

是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。什么是發(fā)光二極管（LED）？顧名思義，發(fā)光二極管是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，具有二極管的特性。LED的發(fā)展歷史1907年HenryJosephRound第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。但由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應(yīng)用；更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應(yīng)，研究被摒棄了。二十年代晚期，BernhardGudden

和RobertWichard

在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。但卻再一次因發(fā)光暗淡而停止。LED的發(fā)展歷史1936年,GeorgeDestiau

出版了一個關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應(yīng)用和廣泛認(rèn)識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術(shù)語。二十世紀(jì)50年代，英國科學(xué)家在“電致發(fā)光”的實驗中，使用半導(dǎo)體砷化鎵，發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。據(jù)說在早期的試驗中，LED需要放置在液化氮里，更需要進(jìn)一步的操作與突破以便能高效率的在室溫下工作。LED的發(fā)展歷史第一個商用LED僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應(yīng)用于感應(yīng)與光電領(lǐng)域。60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED。磷化鎵的改變使得LED更高效，發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。70年代中期，磷化鎵被使用作為發(fā)光光源，隨后就發(fā)出灰白綠光。LED采用雙層磷化鎵蕊片(一個紅色一個綠色)能夠發(fā)出黃色光。同時期，俄國利用金剛砂制造出發(fā)黃光的LED。80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED的誕生，先是紅色，接著就是黃色，最后為綠色。到20世紀(jì)90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。第一個有歷史意義的藍(lán)光LED

也出現(xiàn)在90年代早期，再一次利用金鋼砂—早期的半導(dǎo)體光源的障礙物。依當(dāng)今的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。LED的發(fā)展歷史90年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，隨即又制造出了能產(chǎn)生高強度的綠光和藍(lán)光銦氮鎵LED。超亮度藍(lán)光芯片是白光LED的核心，在這個發(fā)光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍(lán)色光源再轉(zhuǎn)化為白光。就是利用這種技術(shù)制造出任何可見顏色的光。今天在LED市場上就能看到生產(chǎn)出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。隨著人類在LED超亮度的領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，LED在消費電子的運用也越來越廣泛。LED的發(fā)展歷史中國LED發(fā)展現(xiàn)狀中國LED產(chǎn)業(yè)起步于上世紀(jì)80年代，先后經(jīng)歷了進(jìn)口芯片封裝→進(jìn)口外延片封裝→自制材料和器件等幾個階段。進(jìn)入21世紀(jì)以后，環(huán)保和節(jié)能成為市場熱點，LED行業(yè)也開始升溫。隨著全球LED市場需求的進(jìn)一步加大，未來我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大的發(fā)展機遇。然而，現(xiàn)實卻是，國內(nèi)企業(yè)在“快樂”中“痛苦”的前行。中國LED發(fā)展現(xiàn)狀目前，全球LED領(lǐng)域的技術(shù)和專利，一半以上被美、日、德等發(fā)達(dá)國家的少數(shù)大公司所占有。這些專利多為核心技術(shù)專利，國內(nèi)企業(yè)尤其是中小企業(yè)很難尋找到突破口。此外，這些國外企業(yè)已經(jīng)在全球，尤其是在中國，精心部署了專利網(wǎng)。所以，我國LED產(chǎn)業(yè)要想取得長遠(yuǎn)發(fā)展，必須突破這些專利的層層包圍。中國LED發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會的發(fā)展，LED技術(shù)在生活中的應(yīng)用越來越廣泛，但是LED的價格卻相對較高，主要有以下原因:國內(nèi)沒有核心技術(shù)LED應(yīng)用產(chǎn)品散熱難LED的應(yīng)用電源管理較難2.

LED的工作原理發(fā)光二極管是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子－空穴對）在擴散過程中復(fù)合，多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。這種發(fā)射過程主要對應(yīng)于光的自發(fā)發(fā)射過程。3.

LED的發(fā)光原理LED是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件,可以直接把電轉(zhuǎn)化為光LED的心臟是一個半導(dǎo)體晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負(fù)極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導(dǎo)體,在它里面空穴占主導(dǎo)地位,另一端是N型半導(dǎo)體,在這邊主要是電子.但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候,它們之間就形成一個“PN結(jié)”當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區(qū),在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合,然后就會以光子的形式發(fā)出能量,這就是LED發(fā)光的原理。Materials4.LED特點電壓：LED使用低壓電源，單顆電壓在1.9-4V之間，比使用高壓電源

更安全的電源。效能：光效高,目前實驗室最高光效已達(dá)到161lm/w(cree),是目前光

效最高的照明產(chǎn)品。抗震性：LED是固態(tài)光源，由于它的特殊性，具有其他光源產(chǎn)品不能比

擬的抗震性。穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的70%響應(yīng)時間：LED燈的響應(yīng)時間為納秒級，是目前所有光源中響應(yīng)時間最

快的產(chǎn)品。體積小：LED是很小的一塊晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，非常輕/小Materials4.LED特點環(huán)保：無金屬汞等對身體有害物質(zhì)。

LED是由無毒材料作成,不像熒光燈含水銀會造成污染，而且還可以回收再利用。節(jié)能燈的發(fā)光原理是汞蒸氣受激發(fā)而發(fā)光,所以每支節(jié)能燈都含汞。即便按歐洲最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，一支節(jié)能燈的汞含量也約為3～5毫克。一旦破碎,僅3毫克就會污染約1000噸水、300m3的空氣.顏色：LED的帶快相當(dāng)窄，所發(fā)光顏色純，無雜色光，覆蓋整過可見光的全部波段，且可由R\G\B組合成任何想要可見光。LEDSystemsMaterialsLED優(yōu)點壽命長節(jié)能低紫外線低紅外線無水銀CO2低碳壽命比較LED燈普通燈約

4萬小時約3000小時LED優(yōu)點※100盞燈的1年電費比較?！?日使用10小時計算?！?/p>

電費以1元／KWh計算。1825元14600元白熾燈40WLED燈泡5W電費比較LED優(yōu)點※100盞燈的1年排量比較?！?日使用10小時計算?！?/p>

CO2排出量的排出系數(shù)以0.39kg－CO2／kWh計算5694KgCO2CO2CO2CO2LED燈泡

5W白熾燈

40WCO2的排量比較712Kg

LED優(yōu)點5.LED產(chǎn)業(yè)鏈LED技術(shù)與工藝鏈襯底片制備單晶生長、磨片、拋光外延生長

MBEMOCVD

芯片制作光刻、刻蝕、蒸發(fā)、劃片器件封裝貼片、鍵合、封包5.1襯底半導(dǎo)體器件的襯底材料也稱為基石材料，外延層都是在襯底材料上生長獲得的。襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)。因此，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。[1]結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度??；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強；[3]化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕[4]熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小；[5]導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)；[6]光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收??；[7]機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等；[8]價格低廉；[9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：氮化鎵襯底用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度?？墒牵苽涞夡w單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。氮化鎵襯底氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備從高壓熔體中可得到單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無法使用。目前主要是在藍(lán)寶石、硅、碳化硅襯底上生長。雖然在藍(lán)寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔的氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價格極貴，一片2英寸襯底價格約1萬美元，這些襯底全部由HVPE(氫化物氣相外延)生產(chǎn)。氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備HVPE是二十世紀(jì)六七十年代的技術(shù)，由于它生長速率很快(一分鐘一微米以上)，不能生長量子阱、超晶格等結(jié)構(gòu)材料，在八十年代被MOCVD、MBE(分子束外延)等技術(shù)淘汰。然而，恰是由于它生長速率快，可以生長氮化鎵襯底，這種技術(shù)后來又“死灰復(fù)燃”并受到重視。可以斷定，氮化鎵襯底肯定會繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)化，HVPE技術(shù)必然會重新受到重視。與高溫提拉法相比，HVPE方法更有望生產(chǎn)出可實用化的氮化鎵襯底。不過國際上目前還沒有商品化的設(shè)備出售。氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備目前國內(nèi)外研究氮化鎵襯底均是用MOCVD和HVPE兩臺設(shè)備分開進(jìn)行的,即：先用MOCVD生長0.1～1微米的結(jié)晶層再用HVPE生長約300微米的氮化鎵襯底層最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長一個襯底需要在兩個生長室中分兩次生長，需要降溫、生長停頓、取出等過程，這樣不可避免地會出現(xiàn)以下問題：①樣品表面粘污；②生長停頓、降溫造成表面再構(gòu)，影響下次生長。Si襯底在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域里夢寐以求的一件事情,因為一旦技術(shù)獲得突破,外延生長成本和器件加工成本將大幅度下降。硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。Si片作為GaN材料的襯底還有許多優(yōu)點,如晶體質(zhì)量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導(dǎo)電性,熱穩(wěn)定性等.Si襯底電極制作：硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact

,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。Si襯底優(yōu)點

①晶體品質(zhì)高②尺寸大

③成本低，易加工④良好的導(dǎo)電性⑤良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性不足

①由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無龜裂及器件級品質(zhì)的GaN材料

②硅襯底對光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低Si襯底另外，由于硅襯底對光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率較低。2010年，日本Nagoya技術(shù)研究所在上海國際半導(dǎo)體照明論壇上報道的硅襯底上藍(lán)光LED光輸出功率為18mW。目前國外文獻(xiàn)報導(dǎo)的硅襯底上藍(lán)光LED光功率最好水平是420mW，是德國Magdeburg大學(xué)研制的。藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高（2045℃）等特點，是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來作為光電元件的材料。藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3)C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石晶片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料.下圖分別為：藍(lán)寶石切面圖晶體結(jié)構(gòu)圖俯視圖晶體結(jié)構(gòu)圖側(cè)視圖Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖藍(lán)寶石(Al2O3)特性表分子式Al2O3密度3.95-4.1克/立方厘米晶體結(jié)構(gòu)六方晶格晶格常數(shù)a=4.785?,c=12.991?莫氏硬度9(僅次于鉆石:10)熔點2045℃沸點3000℃熱膨脹系數(shù)5.8×10-6/K

比熱0.418W.s/g/k

熱導(dǎo)率25.12W/m/k(@100℃)

折射率no=1.768ne=1.760

dn/dt13x10-6/K(@633nm)透光特性T≈80%(0.3～5μm)

介電常數(shù)11.5(∥c),9.3(⊥c)

2藍(lán)寶石晶體的生長方法藍(lán)寶石晶體的生長方法常用的有兩種:1)柴氏拉晶法(Czochralskimethod),簡稱Cz法.

先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯,再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固

并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶,晶種同時以極緩慢的速度往上拉升,并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),隨著晶種的向上拉升,熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上,進(jìn)而形成一軸對稱的單晶晶錠.

藍(lán)寶石襯底柴氏拉晶法(Czochralskimethod)之原理示意圖2藍(lán)寶石晶體的生長方法2)凱氏長晶法(Kyropoulosmethod),簡稱Ky法或泡生法

原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固,最后凝固成一整個單晶晶碇.藍(lán)寶石襯底凱氏長晶法(Kyropoulosmethod)之原理示意圖3藍(lán)寶石襯底加工流程

藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成.其相關(guān)制造流程如下:

藍(lán)寶石晶體晶棒

晶棒基片

藍(lán)寶石晶棒加工流程

晶體晶棒長晶:

利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體定向:

確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置,便于掏棒加工掏棒:

以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒滾磨:

用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度品檢:

確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格機械加工藍(lán)寶石晶棒制造工藝流程定向:在切片機上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置,以便于精準(zhǔn)切片加工切片:將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片研磨:去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度倒角:將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應(yīng)力集中造成缺陷拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達(dá)到外延片磊晶級的精度清洗:清除晶片表面的污染物(如:微塵顆粒,金屬,有機玷污物等)品檢:以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求機械加工藍(lán)寶石基片制造工藝流程晶棒基片藍(lán)寶石切面圖①C-Plane藍(lán)寶石基板(上六邊形)這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍(lán)寶石基板面.這主要是因為藍(lán)寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定.4藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:C-Plane藍(lán)寶石基板是普遍使用的藍(lán)寶石基板.1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時在日亞化學(xué)的中村修二博士等，突破了InGaN與藍(lán)寶石基板晶格不匹配(緩沖層)、p型材料活化等問題后，終于在1993年底日亞化學(xué)得以首先開發(fā)出藍(lán)光LED.以后的幾年里日亞化學(xué)以藍(lán)寶石為基板,使用InGaN材料,通過MOCVD技術(shù)并不斷加以改進(jìn)藍(lán)寶石基板與磊晶技術(shù),提高藍(lán)光的發(fā)光效率,并在1997年開發(fā)出紫外LED，1999年藍(lán)紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位.C-Plane藍(lán)寶石基板臺灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù)，臺灣LED的發(fā)展先是從日本購買外延片加工，進(jìn)而買來MOCVD機臺和藍(lán)寶石基板來進(jìn)行磊晶，之后臺灣本土廠商又對藍(lán)寶石晶體的生長和加工技術(shù)進(jìn)行研究生產(chǎn)，通過自主研發(fā)，取得LED專利授權(quán)等方式，實現(xiàn)了藍(lán)寶石晶體,基板,外延片的生產(chǎn)和加工等自主生產(chǎn)技術(shù)能力，一步一步奠定了臺灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位.目前大部分的藍(lán)光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是

以日本臺灣為代表的使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品，使得藍(lán)寶石基板具有很大的普遍性，以美國Cree公司使用SiC作為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后.C-Plane藍(lán)寶石基板藍(lán)寶石切面圖②R-Plane(或M-Plane)藍(lán)寶石基板

主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的,而c軸是GaN的極性軸,導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強的內(nèi)建電場,發(fā)光效率會因此降低,發(fā)展非極性面GaN外延,克服這一物理現(xiàn)象,使發(fā)光效率提高。4藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板通常，C面藍(lán)寶石襯底上生長的GaN薄膜是沿著其極性軸(即ｃ軸)方向生長的，薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強大的內(nèi)建電場(QuantumConfineStarkEffect,QCSE;史坦克效應(yīng))，大大地降低了GaN薄膜的發(fā)光效率.在一些非C面藍(lán)寶石襯底(如R面或M面)和其他一些特殊襯底(如鋁酸鋰;LiAlO2)上生長的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)將得到部分甚至完全的改善.傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長在C-plane藍(lán)寶石基板上，若把這類化合物成長于R-plane或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場平行于磊晶層，以增加電子電洞對復(fù)合的機率。R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長在c-plane藍(lán)寶石基板上，若把這類化合物成長于R-plane或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場平行于磊晶層，以增加電子電洞對復(fù)合的機率。因此，以氮化物磊晶薄膜為主的LED結(jié)構(gòu)成長R-plane或M-Plane藍(lán)寶石基板上，相比于傳統(tǒng)的C面藍(lán)寶石磊晶,將可以有效的解決LED內(nèi)部量子效率效率低落的問題，并增加元件的發(fā)光強度。近年來已有研究聲稱非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.由于無極性GaN比傳統(tǒng)c軸GaN更具有潛力來制作高效率元件,使得許多國際大廠與研究單位都加大了對此類磊晶技術(shù)的研究與生產(chǎn)因此R-plane或M-Plane藍(lán)寶石基板的需求與要求也相應(yīng)增加R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板無極性面是指極性面法線方向上的面而半極性面則是介于極性面和無極性面之間的面藍(lán)寶石切面圖③圖案化藍(lán)寶石基板(PatternSapphireSubstrate簡稱PSS)

以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計制作出納米級特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式,并可同時減少生長在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷,改善磊晶質(zhì)量,并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。4藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種:圖案化藍(lán)寶石基板(PSS)以蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計制作出微米級或納米級的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED的輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍(lán)寶石基板上會產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍(lán)寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.圖案化藍(lán)寶石基板(PSS)目前臺灣生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石的有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達(dá)等多家公司.藍(lán)寶石基板中2/4英寸是成熟產(chǎn)品,價格逐漸穩(wěn)定而大尺寸(如6/8英寸)的普通藍(lán)寶石基板與2英寸圖案化藍(lán)寶石基板處于成長期,價格也較高,其生產(chǎn)商也是主推大尺寸與圖案化藍(lán)寶石基板,同時也積極增加產(chǎn)能.目前大陸還沒有廠家能生產(chǎn)出圖案化藍(lán)寶石基板.歐美、俄羅斯等國均有自己的公司出產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石基板A:臺灣兆晶科技股份有限公司(C面2英寸藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù))項目Item規(guī)格Specifications材料Material 高純度（>99.996%）單晶Al2O3

晶向

OrientationC軸（0001）±0.3°直徑Dismeter50.8±0.2mm厚度

Thickness330μm/430μm±25μm總厚度偏差TTV＜10μm翹曲度BOW＜10μm定位面方向

PrimaryFlatLocationA面（11-20）±0.5

°定位邊長PrimaryFlatLength16±1.2mm正面

FrontSurfaceepi-readypolished（外延開盒即用）表面粗糙度SurfaceRoughnessRa＜0.3nm背面

BacksideRa=0.5~1.2μm包裝

Package潔凈室內(nèi)真空沖氮包裝B:臺灣中美矽晶制品股份有限公司(C面2英寸藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù))項目Item規(guī)格Specifications材料Material 高純度單晶Al2O3，晶向

OrientationC面（0001）±0.3°直徑

Dismeter50.8±0.15mm厚度

Thickness430μm±15μm總厚度偏差TTV＜10μm表面總平整度TIR≦10μm彎曲度WARP≦15μm翹曲度BOW-10~0μm定位面方向

PrimaryFlatLocationA面（11-20）定位面偏離角度FlatOff-setAngle0.0±0.2°定位邊長PrimaryFlatLength16±0.5mm表面粗糙度FrontsideSurfaceRoughnessRA≦3?（即Ra≦0.3nm）背面粗糙度

BacksideSurfaceRoughness(Ra)Ra=0.5~1.0μm包裝

Package潔凈室內(nèi)真空沖氮包裝C:美國Crystalsystems公司(C面2英寸藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù))項目Item規(guī)格Specifications材料Material高純度單晶Al2O3>99.99%

晶向

OrientationC軸（0001）±0.2°

直徑

Dismeter50.8±0.15mm厚度

Thickness330μm/430μm±25μm總厚度偏差TTV≦25μm翹曲度BOW≦20μm定位邊方向

PrimaryFlatLocationA軸（11-20）±0.3°

定位邊長PrimaryFlatLength16±1.5mm正面

FrontSurface精細(xì)拋光（開盒即用）finishingpolishingepi-ready表面粗糙度SurfaceRoughness(Ra)Ra＜1nm背面

Backside精細(xì)研磨FinegrindRmax5-10μm包裝

Package100級潔凈室沖氮包裝5/10/25片盒裝D:俄羅斯CradleyCrystals公司(C面2英寸藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù))項目Item規(guī)格Specifications材料Material高純度單晶Al2O3>99.99%

晶向

OrientationC軸（0001）±0.2°

直徑

Dismeter50.8±0.1mm厚度

Thickness330μm/430μm±25μm總厚度偏差TTV≦10μm翹曲度BOW≦5μm定位邊方向

PrimaryFlatLocationA軸（11-20）±0.3°

定位邊長PrimaryFlatLength16±0.8mm正面

FrontSurface精細(xì)拋光（開盒即用）finishingpolishingepi-ready表面粗糙度SurfaceRoughness(Ra)Ra＜0.3nm背面

Backside精細(xì)研磨FinegrindRa＜1μm或80/50polishing包裝

Package100級潔凈室沖氮包裝25片盒裝目前，國內(nèi)外Al2O3襯底今后的研發(fā)任務(wù)是生長大直徑的Al2O3單晶(向4-6英吋方向發(fā)展)，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量。藍(lán)寶石襯底優(yōu)點：①化學(xué)穩(wěn)定性好②不吸收可見光，

③價格適中④制造技術(shù)相對成熟缺點：①導(dǎo)電性能差，②堅硬,不易切割，③導(dǎo)熱性差SiC襯底除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長的襯底就是SiC，它在市場上的占有率位居第二，目前還沒有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC有許多突出的優(yōu)點，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差。另外，SiC襯底吸收380nm以下的紫外光，所以，它不適合用來研發(fā)380nm以下的紫外LED。SiC襯底電極：L型電極設(shè)計，電流是縱向流動的，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。導(dǎo)熱：碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(m·K)）要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。SiC襯底由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題，因此在發(fā)展中的半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。成本：相對于藍(lán)寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。目前國際上能夠提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。國內(nèi)外SiC襯底今后的研發(fā)任務(wù)是大幅度降低制造成本和提高晶體結(jié)晶質(zhì)量。SiC襯底優(yōu)點

①化學(xué)穩(wěn)定性好②導(dǎo)電性能好

③導(dǎo)熱性能好④不吸收可見光不足

①價格高②機械加工性能比較差

③晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al2O3和Si那么好

④不適合用來研發(fā)380nm以下紫外LED(吸收380nm以下紫外光)⑤目前國際上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。ZnO襯底之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因為他們二者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘?。５?，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平/和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。研發(fā)的重點是尋找合適的生長方法。ZnO襯底但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬于直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。這是因為，ZnO的激子束縛能高達(dá)60meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多(GaN為26meV)，因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。另外ZnO材料的生長非常安全，可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。因而，今后ZnO材料的生產(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，原材料鋅和水資源豐富、價格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展。5.2外延定義：利用物理或化學(xué)變化在單晶襯底上沿特定結(jié)晶方向生長單晶薄膜的工藝過程就稱為外延。外延層的結(jié)構(gòu)是單晶襯底晶格排列向外延續(xù)，外延層也是單晶。半導(dǎo)體工藝流程大多數(shù)是從在襯底上生長外延層開始，然后在這層薄膜的基礎(chǔ)上制造器件。外延工藝主要用于形成器件有源區(qū)的薄層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。外延工藝主要關(guān)注的是薄膜結(jié)構(gòu)，電學(xué)性能，外巖層和襯底的界面。5.2外延LED外延生長是在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)In、Ga、Al、P有控制地輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術(shù)主要是有機金屬化學(xué)氣相沉積法外延的目的是指在襯底(基片)上向外拓延生長一定厚度的半導(dǎo)體薄層。半導(dǎo)體材料廠商可以按照半導(dǎo)體芯片制造商的要求直接加工提供外延圓片。①適合的禁帶寬度Eg。②可獲得電導(dǎo)率高的P型和N型材料。③可獲得完整性好的優(yōu)質(zhì)晶體。④發(fā)光復(fù)合幾率大。LED芯片對外延片的技術(shù)要求①外延材料具有適合的禁帶寬度禁帶寬度決定發(fā)射波長：

λ=1240/EgEg由材料性質(zhì)決定，可以通過調(diào)節(jié)外延材料的組分調(diào)整Eg。LED芯片對外延片的技術(shù)要求λ～LED的峰值發(fā)射波長（nm）Eg～外延材料的禁帶寬度（eV）②外延材料的發(fā)光復(fù)合幾率大LED的發(fā)光原理：pn結(jié)處的空穴和電子的復(fù)合發(fā)光，同時伴有熱產(chǎn)生，復(fù)合幾率大，則發(fā)光效率高。InGaAlP材料，調(diào)整Ga-Al組分，改變Eg，得到黃綠到深紅的LED波長。但改變組分的同時使得直接躍遷半導(dǎo)體材料變?yōu)殚g接躍遷，影響發(fā)光效率。LED芯片對外延片的技術(shù)要求③p型n型兩種外延材料的電導(dǎo)率要高影響電導(dǎo)率的因素：摻雜濃度、溫度、均勻性。摻雜濃度：不應(yīng)小于1×1017/cm3參雜溫度：MOCVD反應(yīng)腔溫度及材料特性參雜均勻型：MOCVD氣流平穩(wěn)、氣壓LED芯片對外延片的技術(shù)要求④外延層的完整性外延層的完整性：晶體的錯位和空位缺陷，氧氣等雜質(zhì)。影響完整性的因素：不同的外延技術(shù)、同一外延技術(shù)不同的設(shè)備，同一設(shè)備不同的操作人員LED芯片對外延片的技術(shù)要求外延技術(shù)與設(shè)備是外延片制造技術(shù)的關(guān)鍵所在目前常用的外延方法包括：外延技術(shù)液相外延(LiquidPhaseEpitaxy,LPE)，氣相外延(VaporPhaseEpitaxy,VPE)，分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,MBE)，金屬有機物化學(xué)氣相淀積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，MOCVD)外延等。液相磊晶LPE的技術(shù)較低，主要用于一般的發(fā)光二極管分子束磊晶MBE的技術(shù)層次較高，容易成長極薄的磊晶，且純度高，平整性好，但量產(chǎn)能力低，磊晶成長速度慢有機金屬氣相磊晶MOCVD除了純度高，平整性好外，量產(chǎn)能力及磊晶成長速度亦比MBE快，所以現(xiàn)在大都以MOCVD來生產(chǎn)。外延生長方法VPE(或叫CVD)氣相外延VPE方法是原材料(或反應(yīng)物)通過氣相輸運并在氣相中(或襯底表面)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而在襯底上生長單晶薄層的技術(shù).該方法是反應(yīng)物以氣態(tài)形式到達(dá)加熱的襯底表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)物(是氣-固相變過程)。氣相外延VPE技術(shù)屬于化學(xué)氣相沉積技術(shù)范疇，由于它是借助加熱的方式提供化學(xué)反應(yīng)過程所需要的能量，所以也叫CVD技術(shù)。VPE(或叫CVD)利用化學(xué)氣相淀積可以制備無機薄膜，從金屬薄膜也可以制備無機薄膜?；瘜W(xué)氣相淀積種類很多，主要有：常壓CVD(APCVD)，低壓CVD(LPCVD)、超低壓CVD(VLPCVD)、等離子體增強型CVD（PECVD）、激光增強型CVD(LECVD)，金屬氧化物CVD（MOCVD），其他還有電子自旋共振CVD(ECRCVD)等方法按著淀積過程中發(fā)生化學(xué)的種類不同可以分為熱解法、氧化法、還原法、水解法、混合反應(yīng)等。CVD的優(yōu)缺點CVD制備的薄膜最大的特點是致密性好、效率高、可以實現(xiàn)厚膜淀積、以及相對的低成本；缺點是淀積過程容易對薄膜表面形成污染、對環(huán)境的污染等常壓CVD（APCVD）的特點是不需要很好的真空度、淀積速度非?？臁⒎磻?yīng)受溫度影響不大，淀積速度主要受反應(yīng)氣體的輸運速度的影響。低壓CVD（LPCVD）的特點是其良好的擴散性（宏觀表現(xiàn)為臺階覆蓋能力），反應(yīng)速度主要受淀積溫度的影響比較大，另外溫度梯度對淀積的薄膜性能（晶粒大小、應(yīng)力等）有很大的影響。CVD的優(yōu)缺點等離子體增強型CVD（PECVD）最大的特點是反應(yīng)溫度低(200－400℃)和良好的臺階覆蓋能力，可以應(yīng)用在AL等低熔點金屬薄膜上淀積，主要缺點是淀積過程引入的粘污；溫度、射頻、壓力等都是影響PECVD工藝的重要因素。金屬氧化物CVD（MOCVD）的主要優(yōu)點是反應(yīng)溫度低，廣泛應(yīng)用在化合物半導(dǎo)體制備上，特別是高亮LED的制備上。CVD外延的生長過程參加反應(yīng)的氣體混合物被運輸?shù)匠练e區(qū)；反應(yīng)物分子由主氣流擴散到襯底表面；反應(yīng)物分子吸附在襯底表面上；吸附物分子間或吸附物分子與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成外延成分及反應(yīng)副產(chǎn)物，外延粒子沿襯底表面遷移并結(jié)合進(jìn)入晶格點陣；反應(yīng)副產(chǎn)物由襯底表面外擴散到主氣流中,然后排出沉積區(qū)金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù)是目前生長III-V族，II-VI族化合物及合金薄膜單晶的主要方法。II、III族金屬有機化合物通常為甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它們大多數(shù)是高蒸汽壓的液體或固體。用氫氣或氮氣作為載氣，通入液體中攜帶出蒸汽，與V族的氫化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反應(yīng)室，在加熱的襯底表面發(fā)生反應(yīng)，外延生長化合物晶體薄膜。MOCVD首先是將GaN襯底放入昂貴的有機化學(xué)汽相沉積爐（簡稱MOCVD，又稱外延爐），再通入III、II族金屬元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸氣與非金屬(V或VI族元素）的氫化物（或烷基物）氣體；在高溫下，發(fā)生熱解反應(yīng)，生成III-V或II-VI族化合物沉積在襯底上，生長出一層厚度僅幾微米（1毫米＝1000微米）的化合物半導(dǎo)體外延層。長有外延層的GaN片也就是常稱的外延片。MOCVD過程換句話說，MOCVD成長外延片過程實際上就是載流氣體通過金屬有機反應(yīng)源的容器時，將反應(yīng)源的飽和蒸氣帶至反應(yīng)腔中與其它反應(yīng)氣體混合，然后在被加熱的基板上面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)促成薄膜的成長。因此是一種鍍膜技術(shù)，是鍍膜過程。影響蒸鍍層的生長速率和性質(zhì)的因素：MOCVD過程①溫度②壓力③反應(yīng)物種類④反應(yīng)物濃度⑤反應(yīng)時間⑥襯底種類⑦襯底表面性質(zhì)等反應(yīng)物擴散到襯底表面襯底表面的化學(xué)反應(yīng)固態(tài)生長物的沉積氣態(tài)產(chǎn)物的擴散脫離外延片生長中不可忽視的微觀動力學(xué)問題MOCVD方法反應(yīng)氣體在襯底的吸附表面擴散化學(xué)反應(yīng)固態(tài)生成物的成核和生長氣態(tài)生成物的脫附過程等注意：反應(yīng)速率最慢的過程是控制反應(yīng)速率的步驟，也是決定沉積膜組織形態(tài)與各種性質(zhì)的關(guān)鍵。MOCVD反應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)要求提供潔靜的環(huán)境。反應(yīng)物抵達(dá)襯底之前應(yīng)充分混合，以確保外延層的成分均勻。反應(yīng)物氣流需在襯底的上方保持穩(wěn)定的流動，以確保外延層厚度均勻。反應(yīng)物提供系統(tǒng)應(yīng)切換迅速，以長出上下層接口分明的多層結(jié)構(gòu)。MOCVD的優(yōu)點用來生長化合物晶體的各組份和摻雜劑都可以以氣態(tài)方式通入反應(yīng)室中，可以通過控制各種氣體的流量來控制外延層的組分、導(dǎo)電類型、載流子濃度、厚度等特性。由于存在抽氣裝置，反應(yīng)室中氣體流速快，對于異質(zhì)外延時，反應(yīng)氣體切換很快，可以得到陡峭的界面。外延發(fā)生在加熱的襯底的表面上，通過監(jiān)控襯底的溫度可以控制反應(yīng)過程。在一定條件下，外延層的生長速度與金屬有機源的供應(yīng)量成正比MOCVD的缺點實驗設(shè)備比較昂貴，生產(chǎn)成本較高，并且需要使用大量的有毒氣體，基本上所有源材料都表現(xiàn)為毒性和腐蝕性，金屬有機化合物在空氣中還很容易自燃甚至爆炸，另外載氣H2與空氣結(jié)合也會形成爆炸混合物，因此需要特別注意安全防護(hù)措施。要求系統(tǒng)的氣密性好，并具有安全監(jiān)控和抽風(fēng)裝置。MOCVD及相關(guān)設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀MOCVD技術(shù)自二十世紀(jì)六十年代首先提出以來,經(jīng)過七十至八十年代的發(fā)展,九十年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長技術(shù)。目前已經(jīng)在砷化鎵、磷化銦等光電子材料生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用日本科學(xué)家Nakamura將MOCVD應(yīng)用氮化鎵材料制備，利用他自己研制的MOCVD設(shè)備(一種非常特殊的反應(yīng)室結(jié)構(gòu))，于1994年首先生產(chǎn)出高亮度藍(lán)光和綠光發(fā)光二極管，1998年實現(xiàn)了室溫下連續(xù)激射10,000小時，取得了劃時代的進(jìn)展。到目前為止，MOCVD是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法，從生長的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來看，還沒有其它方法能與之相比。MOCVD及相關(guān)設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國際上MOCVD設(shè)備制造商主要有三家：德國的AIXTRON公司美國的EMCORE公司（Veeco）、英國的ThomasSwan公司（現(xiàn)已被AIXTRON公司收購）這三家公司產(chǎn)品的主要區(qū)別在于反應(yīng)室。MOCVD設(shè)備的發(fā)展趨勢研制大型化的MOCVD設(shè)備。為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，MOCVD設(shè)備需要更大型化。目前一次生產(chǎn)24片2英寸外延片的設(shè)備已經(jīng)有商品出售，以后將會生產(chǎn)更大規(guī)模的設(shè)備，不過這些設(shè)備一般只能生產(chǎn)中低檔產(chǎn)品；研制有自己特色的專用MOCVD設(shè)備。這些設(shè)備一般只能一次生產(chǎn)1片2英寸外延片，但其外延片質(zhì)量很高。目前高檔產(chǎn)品主要由這些設(shè)備生產(chǎn)，不過這些設(shè)備一般不出售。GaN外延片產(chǎn)業(yè)化生長法由于GaN和常用的襯底材料的晶格失配度大，為了獲得晶體質(zhì)量較好的GaN外延層，一般采用兩步生長工藝。首先在較低的溫度下(500～600℃)生長一層很薄的GaN和AIN作為緩沖層，再將溫度調(diào)整到較高值生長GaN外延層。Akasaki首先以AIN作為緩沖層生長得到了高質(zhì)量的GaN晶體。AlN能與GaN較好匹配,而和藍(lán)寶石襯底匹配不好,但由于它很薄,低溫沉積的無定型性質(zhì),會在高溫生長GaN外延層時成為結(jié)晶體。隨后Nakamura發(fā)現(xiàn)以GaN為緩沖層可以得到更高質(zhì)量的GaN晶體。MOCVD法生長GaN的主要技術(shù)要求MOCVD技術(shù)最初是為制備GaAs和InP等化合物半導(dǎo)體材料而開發(fā)的,用于GaN基材料外延生長時,采用的是NH3氣源,危險性降低,但對設(shè)備的要求不僅沒有降低,反而提出了更為特殊的要求：生長溫度高，接近1200度的高溫表面對氣體產(chǎn)生熱浮力，氣體難以到達(dá)襯底表面；NH3具有強腐蝕性，反應(yīng)器材料要能適應(yīng)；TMGa/TMIn/TMAl等對氧氣和水份特別敏感，要求氣體純度高，且與大氣隔離；形成摻Mg的P型層后，要經(jīng)熱處理激活；TMGa和NH3即使在低溫下也會預(yù)反應(yīng)形成新產(chǎn)物；形成多層膜時，氣體成份要快速切換，以形成陡峭界面；既要求膜厚均勻，又要求組分均勻。MOCVD法生長GaN存在的問題襯底要求與外延材料的晶格失配度小、熱膨脹系數(shù)接近、有較大的尺寸、價格便宜、適應(yīng)生產(chǎn)等，GaN匹配的襯底少；氣相預(yù)反應(yīng)帶來的加合物和聚合物在反應(yīng)器氣體噴口凝結(jié)，在反應(yīng)室避沉積以及在氣相中形成微粒，阻礙反應(yīng)物輸送、影響外延膜的質(zhì)量以及縮短設(shè)備維護(hù)周期和損害泵系統(tǒng)；NH3的利用低，尾氣對環(huán)境影響較大；設(shè)備的氣密性和氣體純度要求很高；氣氛適應(yīng)性和氣流控制也存在較大的難度；外延片InGaAlP材料的外延制作四元系InGaAlP化合物半導(dǎo)體是制造紅色和黃色超高亮度發(fā)光二極管的最佳材料InGaAlP外延片制造的LED發(fā)光波段處在550～650nm之間,這一發(fā)光波段范圍內(nèi),外延層的晶格常數(shù)能夠與GaAs襯底完善地匹配,這是穩(wěn)定批量生產(chǎn)超高亮度LED外延材料的重要前提AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu),波長625nm附近其外延片的內(nèi)量子效率可達(dá)到100%,已接近極限。目前MOCVD生長InGaAlP外延片技術(shù)已相當(dāng)成熟。InGaAlP材料的外延制作InGaAlP外延生長的基本原理是，在一塊加熱至適當(dāng)溫度的GaAs襯底基片上，氣態(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P有控制的輸送到GaAs襯底表面，生長出具有特定組分，特定厚度，特定電學(xué)和光學(xué)參數(shù)的半導(dǎo)體薄膜外延材料。III族與V族的源物質(zhì)分別為TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3與AsH3。通過摻Si或摻Te以及摻Mg或摻Zn生長N型與P型薄膜材料。InGaAlP材料的外延制作對于InGaAlP薄膜材料生長，所選用的III族元素流量通常為(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量為（1-2）×10-3克分子。為獲得合適的長晶速度及優(yōu)良的晶體結(jié)構(gòu)，襯底旋轉(zhuǎn)速度和長晶溫度的優(yōu)化與匹配至關(guān)重要。細(xì)致調(diào)節(jié)生長腔體內(nèi)的熱場分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進(jìn)而提高了外延材料光電性能的一致性。GaInN外延的制作氮化物半導(dǎo)體是制備白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技術(shù)，是白光LED的核心技術(shù)，被稱之為半導(dǎo)體照明的發(fā)動機。因此，為了獲得高質(zhì)量的LED，降低位錯等缺陷密度，提高晶體質(zhì)量，是半導(dǎo)體照明技術(shù)開發(fā)的核心。其它新型外延材料ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。這是因為，ZnO的激子束縛能高達(dá)60meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多（GaN為26meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。其它新型外延材料ZnO材料的生長非常安全，既沒有GaAs那樣采用毒性很高的砷烷為原材料，也沒有GaN那樣采用毒性較小的氨氣為原材料，而可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。因而，今后ZnO材料的生產(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，完全復(fù)合環(huán)保要求。生長ZnO的原材料鋅和水資源豐富、價格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功，這為我國發(fā)展ZnO半導(dǎo)體材料和器件、實現(xiàn)技術(shù)上的跨越，提供了一次極好的發(fā)展機遇。其它新型外延材料ZnSe材料的白光LED也是一種有潛力的白光LED技術(shù)。其技術(shù)是先在ZnSe單晶基底上生長一層CdZnSe薄膜，通電后該薄膜發(fā)出的藍(lán)光與基板ZnSe作用發(fā)出互補的黃光，從而形成白光光源。GaNAs和GaNP材料目前正處于剛開始研究階段，但作為一種有潛力的發(fā)光材料，國家在基礎(chǔ)研究方面將會給予極大的重視和基金支持。外延生長方法的改進(jìn)LEO是一種SAE(selectiveareaepitaxy)方法，可追溯到Nishinaga于1988年對LPE(liquidphaseepitaxy)的深入研究LEO常用SiO2或SiNx作為掩膜(mask)，mask平行或者垂直襯底的(11-20)面而放置于buffer或高溫生長的薄膜上，mask的兩種取向的側(cè)向生長速率比為1.5，不過一般常選用平行方向(1100)。GaN在窗口區(qū)向上生長，當(dāng)?shù)竭_(dá)掩膜高度時就開始了側(cè)向生長，直到兩側(cè)側(cè)向生長的GaN匯合成平整的薄膜。為了得到高質(zhì)量的外延層，已經(jīng)提出很多的改進(jìn)方法：①常規(guī)LEO法外延生長方法的改進(jìn)②PE(Pendeo

epitaxy)法襯底上長緩沖層，再長一層高溫GaN選擇腐蝕形式周期性的stripe及trench，stripe沿(1-100)方向，側(cè)面為（11-20）PE生長，有二種模式。ModelA：側(cè)面(11-20)生長速率大于(0001)面垂直生長速率ModelB：開始(0001)面生長快，緊接著又有從新形成的(11-20)面的側(cè)面生長。外延生長方法的改進(jìn)②PE(Pendeo

epitaxy)法一般生長溫度上升，modelA可能性增大，有時在同一個PE生長會同時出現(xiàn)兩種生長模式，這是由于生長參數(shù)的微小波動造成擴散特性的改變，從而也揭示了與生長運動學(xué)有關(guān)的參數(shù)(如平均自由程，平均壽命)相聯(lián)系的閾值能量很低。PE生長得到的GaNTD密度下降了4-5個量級，SEM顯示側(cè)面生長的GaN匯合處或者是無位錯或者是空洞，但在這些空洞上方的GaN仍為無位錯區(qū)；AFM顯示PE生長的GaN表面粗糙度僅為原子級，相當(dāng)光滑；實驗表明，PE生長比相同結(jié)構(gòu)的LEO生長快4-5倍，且PEGaN的應(yīng)力比LEOGaN中的小5-10倍。外延技術(shù)發(fā)展趨勢目前商業(yè)化生產(chǎn)采用的是兩步生長工藝,但一次可裝入襯底數(shù)有限,6片機比較成熟,20片左右的機臺還在成熟中，片數(shù)較多后導(dǎo)致外延片均勻性不夠。發(fā)展趨勢是兩個方向：一是開發(fā)可一次在反應(yīng)室中裝入更多個襯底外延生長,更加適合于規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù),以降低成本；另外一個方向是高度自動化的可重復(fù)性的單片設(shè)備①改進(jìn)兩步法生長工藝外延技術(shù)發(fā)展趨勢人們最早就是采用了這種生長技術(shù)制備出了GaN單晶薄膜,采用這種技術(shù)可以快速生長出低位錯密度的厚膜，可以用做采用其它方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長的襯底。并且和襯底分離的GaN薄膜有可能成為體單晶GaN晶片的替代品。HVPE的缺點是很難精確控制膜厚，反應(yīng)氣體對設(shè)備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的進(jìn)一步提高。②氫化物汽相外延(HVPE)技術(shù)外延技術(shù)發(fā)展趨勢采用這種技術(shù)可以進(jìn)一步減少位錯密度，改善GaN外延層的晶體質(zhì)量。首先在合適的襯底上(藍(lán)寶石或碳化硅)沉積一層GaN，再在其上沉積一層多晶態(tài)的SiO掩膜層，然后利用光刻和刻蝕技術(shù)，形成GaN窗口和掩膜層條。在隨后的生長過程中,外延GaN首先在GaN窗口上生長,然后再橫向生長于SiO條上③選擇性外延生長或側(cè)向外延生長技術(shù)外延片檢測表面平整度厚度的均勻性徑向電阻分布外延片（晶圓）抽取九個點做參數(shù)測試5.3芯片芯片是LED的核心部件，其光學(xué)性能決定了LED的最終性能改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，提高芯片性能是當(dāng)前芯片技術(shù)的研究重點.目前，LED芯片類型從結(jié)構(gòu)角度上主要分為3類：水平電極芯片，倒裝芯片，垂直電極芯片.LED芯片類型橫向結(jié)構(gòu)LED芯片是一種傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)，正負(fù)兩個電極在LED芯片的同一側(cè)(頂面)，電流在n-和p-類型限制層中橫向流動不等的距離。出光效果較差。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個電極分別在LED外延層的兩側(cè)，由于圖形化電極和全部的p-類型限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，極少橫向流動的電流，可以改善平面結(jié)構(gòu)的電流分布問題，提高發(fā)光效率，也可以解決P極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積倒裝芯片是將水平電極芯片的頂面最為底面，藍(lán)寶石襯底作為光出射層。正負(fù)極之間電流的擴散較為均勻，有源層的利用效果較好，故其出光效果比水平電極芯片要好。外延片磊晶清洗生長ITO光刻ITOICP刻蝕光刻電極蒸鍍電極剝離合金減薄切割測試目檢分揀工藝流程圖一、前工藝前工藝主要工作就是在外延片上做成一顆顆晶粒。簡單的說就是晶圓芯片的制程。利用光刻機、掩膜版、ICP、蒸鍍機等設(shè)備制作圖形，在一個2英寸的晶片上做出幾千～上萬顆連在一起的晶粒。一般分為前工藝、后工藝、點測分選三部分芯片工藝分類清洗潔凈的外延片是芯片生產(chǎn)全過程的基本要求，全部工藝過程的20%為外延片的清洗。外延片表面有4大常見的污染類型：顆粒，有機殘余物，無機殘余物，需要去除的氧化層等。清洗目的：除去表面的全部污染物，但不能損害表面。常見方法：化學(xué)清洗，水沖洗化學(xué)清洗目的：除去光刻膠以及摻雜、合金前外延片的清洗工藝。化學(xué)清洗的裝置：一般是在嵌入清洗臺的臺板上的玻璃、石英或聚四氟乙烯的池子里進(jìn)行的，池子下部是一個加熱盤，周圍被加熱用的電阻絲纏繞或其內(nèi)部有一個浸入式加熱器?；瘜W(xué)清洗的工藝流程為：裝片，浸入清洗，加熱，二次浸入清洗(換新溶液)工藝條件：化學(xué)溶液的配置比例，浸泡時間，加熱溫度，加熱時間水沖洗化學(xué)清洗的后面一般都有一個去離子水的沖洗工藝。清水沖洗具有匆表面去除化學(xué)清洗液和終止氧化物刻蝕反應(yīng)的雙重功效。水沖洗的方案：溢流清洗，噴灑式?jīng)_洗，排放式?jīng)_洗，超聲波輔助進(jìn)行的清洗和水沖洗ITO氧化銦錫是IndiumTinOxides的縮寫。氧化銦錫具有很好的導(dǎo)電性和極高的透明性，是提高LED光效的有效途徑之一。ITO的帶隙寬度為3.75～4.0eV，是重?fù)诫s、高簡并的N型半導(dǎo)體，具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能，低電阻率，高可見光透過率(＞90%)，高紅外反射率(＞90%)，機械和化學(xué)性能穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性良好，對襯底有很好的附著性。ITO作為納米銦錫金屬氧化物，具有很好的導(dǎo)電性和透明性，可以切斷對人體有害的電子輻射，紫外線及遠(yuǎn)紅外線。因此，噴涂在玻璃、塑料及電子顯示屏上后，在增強導(dǎo)電性和透明性的同時，切斷對人體有害的電子輻射及紫外線、紅外線。光刻工藝是半導(dǎo)體制造中最重要、也是最復(fù)雜的工藝步驟之一，是利用光照，在有光刻膠存在的條件下，將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上的過程。光刻的目標(biāo)有兩個：①在外延片表面建立盡可能接近設(shè)計規(guī)則中所要求尺寸的圖形，這個目標(biāo)被稱為wafer的分辨率(resolution)；②在外延片表面正確定位圖形(稱為Alignment或者Registration)光刻ITO光刻ITO光刻的成本約為整個硅片制造工藝的

1/3，耗費時間約占